Om strengefysikk og bueteknikk med sideblikk til forskning og formidling

Transkript

1 Om strengefysikk og bueteknikk med sideblikk til forskning og formidling Knut Guettler Abstract Denne artikkelen vil prøve å gi en kortfattet oversikt over hvor forskningen på strykeinstrumentenes akustikk står i dag. Det vil særlig bli satt fokus på den delen av forskningen som er relevant for utøveren, det vil si analyse av forholdet mellom bue og streng, og hvorledes håndteringen av buen påvirker klangen. Enkelte aspekter av forholdet utøver/forsker vil også bli drøftet ut fra forfatterens erfaringer i begge leire. 1. Innledning Gode buehår har distinkte skjell som griper strengen og skaper den nødvendige friksjon for en god tone. Lydpinnens oppgave er å overføre vibrasjoner mellom instrumentets lokk og bunn. Disse to utsagnene er velkjente for de fleste strykere. Selv har jeg hørt dem gjentatt en rekke ganger fra anerkjente lærere, og i master classes gitt av utøvere fra det internasjonale toppsjiktet. Jeg har også sett dem på trykk i fagtidsskrift for strykere. Sitatene demonstrerer på en interessant måte hvordan Mester/lærlingtradisjonen ofte virker: Gårsdagens lærdom blir lov dersom den overbringes med tilstrekkelig autoritet, selv om autoriteten er ervervet innen et helt annet fagområde. Begge utsagnene mangler imidlertid støtte i virkelighetens verden, om enn de umiddelbart kan virke logiske. Aristoteles ofte omtalt som vitenskapens grunnlegger ble visstnok selv offer for lettvint logikk da han en gang skal ha uttalt at summen av en plantes vekt og vekten av den jorden den vokser i forblir konstant. Hadde han tatt bryet med å veie planten med potten den sto i, ville han raskt ha oppdaget at den totale vekten øker! Dette ville neppe ha gjort ham og hans samtidige til bedre gartnere, men i moderne planteproduksjon er kunnskap om fotosyntese som forutsetning for å trekke karbondioksyd ut av lufta et svært viktig element. Hva angår buehår og lydpinner, har det i mer enn halvannethundre år vært vitenskapelig kjent at buehårenes skjell ikke har noen betydning for spilleegenskapene, og at lydpinnens primære oppgave er å danne et stasjonært punkt som lokket kan vippe på (se neste avsnitt). Likevel formidles fremdeles de gamle sannheter med uforminsket styrke fra lærer til elev. Dette synes kanskje uvesentlig så lenge musikerne beviselig oppnår gode resultater likevel, men problemstillingen peker på flere forhold: (1) Når en lærer velger å benytte slike konkrete bilder (riktige eller uriktige) er det vanligvis del av en argumentasjon som skal få eleven til å forandre noe i spillet sitt, eventuelt forstå hva han/hun gjør riktig. Billedbruk er ofte til god hjelp i slike situasjoner. Det finnes imidlertid en hake ved dette: Dersom eleven ønsker å oppnå en musikalsk effekt som ligger utenfor lærerens/tradisjonens erfaringsfelt vil han/hun høyst sannsynlig dra bedre nytte av korrekt informasjon enn en allegorisk representasjon designet for å illustrere en annen eller mer begrenset del av fenomenet. Min påstand er altså at foreldet/feilaktig billedbruk primært tjener sin gode hensikt så lenge man holder seg innen en tradisjon. (2) Høyere undervisningsinstitusjoner bør føle et spesielt ansvar med hensyn til å kvalitetssikre den informasjonen de formidler som objektiv sannhet. (3) Det har helt klart vært svært dårlig kommunikasjon mellom akustikere og utøvere av tradisjonell klassisk musikk på en rekke felt. Det kan være flere grunner til dette. Guettler: Om strengefysikk... Side 1

2 2. Et raskt tilbakeblikk 1 De instrumentmakerne som tidlig på 1500-tallet fikk den geniale idé å flytte strykeinstrumentets innvendige bærebjelke fra dens tradisjonelle plass langs midten og ut til et sted under strengestolens fot på bass-siden, og likeledes plasserte en stang mellom det tynne lokket og instrumentets bunn, nær (foran) foten på diskantsiden, var klart de første eksperimentatorene innen fiolinakustikk. Hvor mye de forsto av hvordan dette forandret lydutstrålingen er ikke godt å si, men resultatene var virkelige nok: Om en tenker seg at strengens vibrasjoner (som stort sett ligger i plan med lokket) prøver å skyve stolen fra side til side (se figur 1), vil dette føre til at stolen samtidig flytter vekten fra den ene foten til den andre. Hvis bjelken ligger på midten vil således lokket på den ene siden bli trykket ned like mye som den andre siden beveger seg opp; dermed blir det ikke noen forandring av kroppens totale volum. Tomrommet som oppstår der lokket trykkes ned fylles raskt av den luften som presses opp på den andre siden av midtbjelken, mens lite eller ingen luft presses mot tilhøreren. Det blir med andre ord liten lydutstråling fra instrumentet. Ved å gjøre lokkets bevegelighet asymmetrisk oppnår man en netto forandring i kroppsvolumet ved de lave frekvensene: Fiolinkroppen pulserer ; klangen blir både fyldigere og sterkere. Figur 1: Når strengen svinger i horisontalplanet veksler de vertikale kreftene fra fot til fot på stolen, med den følge at den ene foten går opp mens den andre går ned. Dersom bassbjelken (BB) hadde vært plassert på midten (M) ville denne bevegelsen vært like stor på begge sider. Lydpinnen (LP), som står litt foran stolens diskant-fot, spiller en liknende rolle, som et stabilt vippepunkt for lokket i lengderetningen. Den første som beskrev noen av disse prinsippene var den franske fysikeren Felix Savart ( ). Fra fiolinmakeren Jean Baptiste Vuillaume ( ) fikk Savart låne løse topp- og bunnplater kreert av Stradivari, Guarneri del Gesu og andre førsteklasses instrumentmakere. Slik kunne han analysere hvordan platene beveget seg ved ulike frekvenser 2. I motsetning til den vanlige oppfatningen hos datidens (og dessverre også nåtidens!) musikere og instrumentmakere, at lydpinnen formidler bølger mellom lokk og bunn, oppdaget han raskt at lydpinnen primært virker som et stasjonært punkt rundt hvilket lokket kan vippe. Ved å ta pinnen ut av en (samlet) fiolin, og i stedet presse den mot lokket fra oversiden, kunne han observere at klangen holdt seg forbausende uforandret bortsett fra for de dypeste frekvensene, som ble noe svakere. Om lydpinnen ble fjernet, ble tonen matt og uten briljans. Dette skjedde på en tid da fysikerne hadde begynt å studere bølgebevegelser i plater av ulik form ved å helle på et tynt lag spon, og eksitere platen ved ulike frekvenser slik at sponene samlet seg der platen beveget seg minst (Chladnis metode). Savart må sies å ha vært den første som på et vitenskapelig grunnlag gjorde grundige analyser av fiolinens virkemåte. Dette betyr ikke at ikke enkelte fysikere hadde gjort observasjoner relatert til strykeinstrumenter tidligere: Den franske presten og vitenskapsmannen Marin Mersenne ( ) hadde i 1625 publisert følgende observasjoner for en ideell streng: Frekvensen er proporsjonal med kvadratroten av strekk-kraften, og omvendt proporsjonal med strengelengden og strengens diameter. Dette stemte bra for datidens homogene tarmstrenger, der strengens vekt per lengdeenhet øker med diameteren i annen potens. En mer moderne formel lyder: Guettler: Om strengefysikk... Side 2

3 Denne formelen gjelder også for strenger med overspinning av et annet (tyngre) materiale, som muliggjør design av tynnere, og dermed mer bøyelige, strenger. (Større bøyelighet gir større briljans.) I en avhandling et par hundre år senere beskrev matematikeren Jean-Marie-Constant Duhamel ( ) hvordan bølger forplantet seg langs strengen med en viss hastighet, hvilket gav forklaring på Mersennes observasjoner. (Strengen bølger altså ikke fra side til side, som det kan se ut til!) Bemerkning: I formelen ovenfor er rottegnet med innhold identisk med bølgenes forplantningshastighet langs strengen. På en fiolin A-streng beveger bølgene seg med en hastighet av ca 290 meter i sekundet, dvs, mer enn tusen kilometer i timen! (Til sammenlikning er lydens hastighet i luft ca 330 m/s.) Derfor kan man aldri se selve bølgene, kun et omriss av deres bane. På E-strengen er forplantningshastigheten ytterligere 50% høyere! Videre hadde Duhamel observert at skjellene på buens hår var så små at de umulig kunne få tak i en streng med normal diameter 3. (Faktisk rager skjellene opp fra hårstammen mindre enn én totusendels millimeter 4 ). At dette med hårskjellenes gripeevne var (og fremdeles er) en så populær forestilling blant strykere og fiolinmakere er egentlig ganske uforståelig, all den tid mange av dem sikkert har prøvd å spille med nye buehår før det har kommet harpiks på: De glir ganske enkelt glatt over strengen og er absolutt umulige å spille med! Selv om hårene hadde gitt tilstrekkelig friksjon ville det fremdeles ikke ha blitt noen tone. For å danne en tone på en fiolinstreng er det forutsetning at friksjonen veksler raskt mellom statisk (dvs si med grep ) og glidende. I begynnelsen av ansatsen må den statiske friksjonskraften kunne nå vesentlig høyere verdier enn den glidende om en vanlig god tone skal kunne dannes. Om hårskjellene hadde vært store nok til å bidra med noe som helst etter at harpiks var lagt på, ville det ha økt friksjonskoeffisienten for begge typer, med den følge at den vibrerende strengen ville bli dratt enda litt lenger ut til siden. (Og frekvensen gått litt opp, men det er en annen sak...) Gode buehår gir ikke selv friksjon, men lar harpiksen sitte jevnt på, selv i tynne lag, hvilket har sammenheng med hårenes kjemi heller enn deres overflatestruktur 5 (se figur 2). Guettler: Om strengefysikk... Side 3

4 Figur 2: Buehår betraktet i elektron-mikroskop (foto: NTH, Trondheim). Øverste panel viser rene hår med tydelig markerte skjell. Den hvite streken markerer én tusendels millimeter. Skjellene rager ikke høyt nok opp til å kunne skyve på noen streng. I panelet under er det lagt på harpiks. Skjellene er fullstendig dekket. Små partikler av harpiks, virvlet opp under spill med buen, ligger oppå det glattere underlaget av tidligere smeltet harpiks. Når strengen glir på buehårene skyves både smeltet og fastere harpiks foran strengen langs hårene. Dette fører til et karakteristisk sus, som er en del av strykerklangens egenart. På midten av attenhundretallet utførte den tyske lege og forsker Hermann von Helmholtz ( ) et betydelig arbeid når det gjaldt å forklare en lang rekke fenomener innen hørsel og toneproduksjon. Arbeidet kulminerte i utgivelsen av Lehre von den Tonempfindungen i For å undersøke hvorledes strengen vibrerte under pizzicato og arco konstruerte han oppfinnsomt et vibrerende mikroskop hvor han kunne betrakte de lynhurtige strengebølgene i langsom kino. Han observerte at i pizzicato er bevegelsesmønsteret et helt annet enn i arco, der strengen veksler periodisk mellom å gripe og slippe buehårene. Og i stedet for å danne en myk bue, slik det synes når man betrakter den, utgjør strengen i arco stort sett to rette linjer, sammenføyet i et skarpt hjørne som roterer i en parabolsk bane (se figur 3). Denne bevegelsen har senere fått navnet Helmholtzbevegelsen. Guettler: Om strengefysikk... Side 4

5 Figur 3, øverst: Helmholtzbevegelse i fiolinstreng under spill med bue. Ved oppstrøk roterer det skarpe hjørnet mot klokken. Idet hjørnet passerer buen på vei mot stolen slipper strengen buehårene og glir tilbake (dvs. ned på tegningen). Etter en refleksjon ved stolen, går hastighetsforskjellen mellom streng og bue igjen mot null idet hjørnet passerer hårene vei mot sadelen. Dermed kan strengen på nytt klebe seg til hårene, og bli hengende fast ved dem resten av perioden. På en løs fiolin A-streng roterer hjørnet rundt på denne måten ca 440 ganger per sekund. Nederst: Under Helmholtzbevegelse vil kraften som virker (sidelengs) på stolen ha sagtannsform. Avhengig av hvor skarpt hjørnet brekker strengen, vil signalet (her vist ca 3 perioder) kunne variere mellom (a) og (b), som gir hhv. skarp og bløt klang. Om to hjørner dannes, kan flere glipp oppstå, og klangen blir glassaktig uten fylde (c). Hvor skarpt dette hjørnet blir avhenger blant annet av buetrykket. Hvis buetrykket (buens kraft mot strengen) er stort, får vi et signal tilnærmet lik (a) i nedre panel. Da skjerpes hjørnet hver gang det passerer buen, hvilket gir skarpere/mer briljant tone. Med lavt buetrykk rundes hjørnet av, grunnet en viss stivhet i strengen, indre og ytre friksjon, bevegelse i stol og sadel, osv. Signalet ved stolen ser da mer ut som (b), og tonen blir bløtere. Dersom vi har vært uforsiktige i ansatsen kan vi risikere at strengen glipper på buen mer enn én gang per periode. I så fall blir tonen glassaktig uten dybde. Signalet kan se ut som (c). Det neste store skrittet i arbeidet med å forstå hvordan strykeinstrumentene virker ble tatt av den indiske forskeren Chandrasekara V. Raman, (som i 1930 mottok en Nobelpris i fysikk for sitt arbeid innen spektroskopi). I 1918 publiserte han et teoretisk verk om Strykeinstrumentenes vibrasjoner 7, der han viste at musikeren i prinsippet kunne kontrollere Helmholtzbevegelsen ved hjelp av tre faktorer: Buens posisjon på strengen, buens hastighet, og buens trykk mot strengen (korrekt term i fysikk er kraft, men pedagogisk gir dette uheldige assosiasjoner). For en stryker virker kanskje denne informasjonen som selvfølgeligheter, men Raman regnet ut hvilke krefter som virket på buen, forholdet mellom overtonene, og viste hvordan strøket måtte forandres (minimumsbuetrykket økes) der instrumentet hadde toner med spesielt store resonanser. Hele tiden sammenliknet han sine beregninger mot eksperimenter på en maskin der en hvilken som helst tone kunne spilles på fiolin med en bue som ble mekanisk drevet, og hvor trykk, posisjon og hastighet ble utført med stor nøyaktighet. Nå var musikerens kontroll brakt inn i bildet. I perioden som fulgte ble det drevet ganske intens forskning i en rekke land som Russland, U.S.A., Frankrike, Italia, England, Japan, men kanskje mest av alt i Tyskland. I tillegg til å videreføre Savarts arbeid på karakteristiske vibrasjoner i lokk og bunn (de såkalte moder) var forskerne mest opptatt av lakk og egenskaper ved instrumentenes trevirke. (I våre dager er det meg bekjent ingen forskere som omtaler lakk som Stradivaris hemmelighet eller forsker på dette. Derimot forskes det på kjemiske metoder for å kunne forandre treets akustiske spesifikasjoner.) Man begynte så smått å få en vitenskapelig forståelse av enkelte egenskaper som skilte et fremragende instrument fra det jevne. Guettler: Om strengefysikk... Side 5

6 Et kraftig puff fremover skjedde da en amerikansk gruppe, som spøkefullt kalte seg The Catgut Acoustical Society 8 (kattetarmens akustiske selskap) kom sammen tidlig på 50-tallet. Gruppen, som også utgjorde en strykekvartett, besto av en fysiker, en elektroingeniør, en kjemiker og en fiolinmaker med bakgrunn i biologi og fysikk. Deres organisasjon ble formelt opprettet i 1963 med formålet å øke og formidle viten innen musikkakustikk, og arbeide for bygging av høykvalitets strengeinstrumenter. Organisasjonen ble raskt et ledende internasjonalt forum for denne type forskning, og for instrumentmakere som ville prøve ut ideene i praksis. I dag har Catguts medlemsmasse vokst til mer enn 800 fele- og gitarmakere, forskere og musikere, som kommuniserer gjennom halvårlige medlemsblad. I de seneste årene har andelen instrumentmakere økt betraktelig, og mange av dem benytter daglig metoder for kontroll og plate-avstemming som er utviklet i dette forum. 3. Så, hva vet vi om strykeinstrumenter i dag? 3.1. Fiolinen som forbilde Det ideelle strykeinstrument Noe av det første Catgut-gruppen gjorde var å sammenlikne de større strykeinstrumentene med fiolinen. På mange måter er fiolinen det ideelle instrument hva angår utstråling og klangfylde. Som konstruksjon kan f. eks. bratsj ikke sies å være like vellykket, selv om det finnes mange gode eksemplarer også av dette instrumentet. Hva skyldes forskjellen? På alle strykeinstrumentene ligger det resonanser i serier, og disse skal helst skal utfylle hverandre best mulig, og ligge i korrekt avstand fra hverandre. For eksempel ligger den laveste resonansen på en fiolin vanligvis i nærheten av enstrøken C# (ca 277 Hz). Denne er avhengig av kroppens indre (luft-) volum og størrelsen på f-hullene. Om du blåser forsiktig mot kanten av et f-hull vil du kunne høre akkurat denne resonanstonen idet luft blir pumpet ut og inn av f-hullene. Over ligger andre luftresonanser tettere og tettere. Så har vi tre-resonansene, delvis separate for lokk og bunn. I den laveste av dem (som vanligvis ligger en god kvint høyere enn den første luftresonansen) beveger en stor del av lokket seg som ett stykke. Det er denne som kan gi opphav til wolf-toner, fordi stolen, som følge av lokkets store bevegelser, beveger seg for mye i det punktet der strengen holdes oppe. Vanligvis opptrer dette bare på de større strykeinstrumentene, der stolen er relativt høy i forhold til bredden slik at utslaget ved strengen blir større. Det finnes resonanstoner som alene er avhengig av instrumentets lengde, bredde, osv, osv. Om man skulle lage en bratsj der alle resonansene lå i samme forhold som på fiolinen, ville man måtte lage et instrument som sammenliknet med fiolinen var 50% lenger (dvs omvendt proporsjonalt med frekvensforholdet) og veie ca et kilogram mer. Strengelengden ville være nær 50 cm. På samme måte ville en kontrabass veie ca 122 kg, og ha en strengelengde på 2,2 meter. Litt upraktisk kanskje... Guettler: Om strengefysikk... Side 6 Figur 4: Normal og ideell plassering for to av strykeinstrumentenes laveste resonanser: A0 = luftresonans; T1 = treresonans (størst bevegelse i lokket); Ο = strengenes stemming. Om de større strykeinstrumentene skulle hatt en resonansplassering tilsvarende fiolinenes, måtte disse lave resonansene flyttes nedover til den ideelle plasseringen. Dette er teknisk mulig, og er demonstrert i The New Violin Family utviklet av Catgutgruppen.

7 Men gruppen fant ut at mange av disse resonansene kunne justeres relativt uavhengig av instrumentets størrelse dersom man ga slipp en del tradisjoner med hensyn til form og avstemming. Og de beviste sine teorier ved å konstruere en hel familie av strykeinstrumenter i forskjellige størrelser, 8 i alt, som alle hadde resonansintervaller som liknet godt på fiolinens ( The New Violin Family ). Gruppens bratsjist, Carleen Hutchins (en førsteklasses, eksperimenterende, ikke-kommersiell felemaker), som bygget disse, bemerket en gang under en akustikk-konferanse: Jeg er egentlig ikke ferdig med noe instrument før jeg har ødelagt det fullstendig. Undertegnede har ved et par anledninger hatt gleden av å høre disse instrumentene i konsertfremførelser (før de ble ødelagt ), og har fått lov til å spille på noen av hennes basser. Det er selvsagt forvirrende at mensuren er uvant, men klangen er rett og slett fantastisk! Både bass og bratsj låter atskillig mer åpent enn det vi er vant til, og de er utrolig lettspilte... Om du ønsker å høre dem, finnes det CD innspillinger 9, bl.a. en der Yo-Yo Ma spiller Bartoks Konsert for Bratsj og Orkester 10 på alt-fiolin (holdt vertikalt, med pigg). Om du ønsker å kjøpe et instrument, ligger du dårligere an: Carleen Hutchins instrumenter befinner seg stort sett hos noen utvalgte musikere, og hennes egne venner og bekjente. Dessuten er noen kjøpt opp av museer. Musikalska Akademien i Stockholm har et helt konsortium. Men, mange av ideene fra Catgut har bevist sin anvendbarhet også på instrumenter med tradisjonelle mål. Det er først og fremst den tekniske fremgangen på elektronikkfronten som har muliggjort en slik utvikling. I dag trenger man ikke stort mer utstyr enn en vanlig hjemmecomputer for å bestemme resonansenes plasseringer på frekvenskartet. Ved å tynne veden litt der lokket eller bunnen svinger mest for en særlig resonans-mode kan man tvinge denne frekvensen nedover. Man starter derfor gjerne med litt for tykk ved, og justerer de viktigste resonansene nedover etter et visst system, hele tiden assistert av kontrollmålinger Gode instrumenter vibrerer mye (?) Her kan det være på sin plass å avlive nok et par livskraftige myter: (a) På et godt instrument vibrerer alle delene mye, inkludert gripebrett hals og strengeholder. (b) Tykkelsen på materialet avgjør hvor mye det vil vibrere. Kommentar til (a): Alle deler av instrumentet som vibrerer uten å pumpe luft tapper strengen for energi uten at det blir lyd av det. Energi som kunne gått til instrumentkroppen og derfra blitt omdannet til lydbølger i luften. Man kan sammenlikne dette med en stemmegaffel med og uten kontakt med en bordflate. Med kontakt sørger vibrasjonene i bordflaten for at mye luft settes i bevegelse; en hørbar tone skapes. Uten bordflaten flyttes kun små mengder luft fra én side av stemmegaffelens tenner til den motsatte. Vi hører knapt lyden selv om like mye energi er forbrukt. Når det gjelder strengeholderen, kan vibrasjoner der lett skape wolf-toner dersom den svinger med en uheldig frekvens. Det finnes likevel situasjoner der enkelte av disse i løse luften -resonansene kan gi en viss nytte. Det gjelder særlig halsen og gripebrettet: Huden på hendene, og særlig fingertuppene, er følsomme for små svingninger 11 i området 100 til 500 Hz (varierende med personens alder). Om halsen gir vibrasjoner i dette frekvensområdet, kan dette gi en slags tilbakemeldingsfunksjon, og være nyttig for musikeren. Når det gjelder den ytre, frittstående delen av gripebrettet, kan det muligens være en fordel å stemme denne likt med instrumentets laveste luftresonans, som da vil bli noe dempet, men til gjengjeld strekke seg over et noe større frekvensområde (få effekt også for de to tilstøtende tonene). Kommentar til (b): Ved å redusere tykkelsen på den delen man ønsker skal vibrere mer oppnår man ikke at dempingen forandres, kun frekvensen. (For en plate av en gitt form og materiale Guettler: Om strengefysikk... Side 7

8 eksisterer det proporsjonalitet mellom tykkelse og frekvens.) At det i visse tilfeller føles som om vibrasjonene øker, kan skyldes at resonansene kommer inn i et frekvensområde der huden har større følsomhet (den er maksimal ved ca 250 Hz, like i nærheten av fiolinens store luftresonans). Over Hz er vibrasjoner knapt merkbare på huden Moderne analysemetoder Plater og kropp Når det gjelder avstemming av lokk og bunn før disse er limt sammen til et instrument, benyttes fremdeles med suksess Chladnis 1700-tallsmetode av mange instrumentmakere: Man strør sagspon av en viss størrelse over emnet (glitter er også vanlig benyttet), og setter deretter platen i vibrasjoner ved å sende den ønskede frekvensen gjennom en høyttaler på undersiden av emnet. Sagsponet samler seg langs node-linjene, der platen beveger seg minst. Dersom sponet ikke danner linjer der de skal, justeres platetykkelsen. Dessverre er denne metoden lite anvendbar når instrumentet er samlet og lakkert, fordi sponene vil gli av de hvelvede platene. Laserteknikk og holografi (såkalt holografisk interferometri) har siden slutten av syttitallet vært nyttige hjelpemidler i kartleggingen av det ferdige instrumentets bevegelser, og har i stor grad bidratt til en omfattende forståelse av hvordan førsteklasses instrumenter fungerer. Men, slikt utstyr er selvsagt for kostbart til praktisk bruk for en instrumentmaker. En relativt enkel metode som kom på åttitallet kalles modalanalyse, og er vesentlig mer hendig: Der banker man lett på flaten man ønsker å undersøke med en liten spesialhammer tilkoplet en PC. Kraften registreres. Samtidig måler man bevegelsen med et akselerometer (en slags kontaktmikrofon) et annet sted på platen, også dette tilkoplet PCen. Etter å ha banket med hammeren et visst antall ganger på ulike steder, regner et PCprogram ut hvordan hele objektet beveger seg ved de ulike frekvensene (se figur 5), og man kan avspille bevegelsene på skjermen i langsom kino. Figur 5: Bevegelser i lokk og bunn ved to ulike frekvenser, registrert ved hjelp av modalanalyse. (Figurene er basert på målinger utført av G. A. Knott 12.) De to avbildede resonansene, målt på en fiolin, blir vanligvis referert til som T1 og C3 i den akustiske litteraturen (se T1 sin plassering i figur 4). Lyse felt beveger seg oppover når mørke felt beveger seg nedover, og omvendt. De tykkeste mørke strekene angir nodelinjer der det ikke finnes noen bevegelse ved denne frekvensen. Hadde Chladnis metode vært anvendbar her, ville sponene samlet seg langs disse linjene. Det er T1 som på cello ofte forårsaker wolf-toner. Legg merke til at for T1 er nodelinjene i lokket stort sett langsgående mens de i bunnen går på tvers. For C3 er forholdet omvendt. Guettler: Om strengefysikk... Side 8

9 Figur 6: Bevegelighetskurve (admittans) for en Stradivarius, målt med et lite hammerslag på stolen (etter Jansson). De laveste luft- og tre-resonansene (merket hhv. A0 og T1) er godt synlige. I tillegg ser man klart en høyere tre-resonans C3. Avstanden mellom enkelte av disse resonansene har stor viktighet når det gjelder instrumentets spilleegenskaper. Basert på uttalelser fra musikere mener man f.eks. at når avstanden fra en bestemt luftresonans (ved ca 460 Hz) til en bestemt treresonans ovenfor er Hz, gir instrumentet relativt stor motstand og passer godt for solister. Er den Hz eller Hz egner det seg bedre for henholdsvis orkester eller kammermusikk, mens den under 20 Hz gir et instrument som er lett å spille på, men uten bæreevne. Videre er plasseringen og helningen på det skraverte området avgjørende for instrumentets briljans. Med for tynn plate mellom f-hullene (under stolen) vipper denne delen av kurven nedover på høyre side, slik at mye av briljansen uteblir. Det samme kan skje om stolens ben står for nær hverandre. Om man ikke trenger å kartlegge fullstendige bevegelser i lokket eller bunnen, nøyer man seg med ett slag mot stolen med PC-hammeren, og avleser stolens bevegelse. Da kan man regne ut et uttrykk for stolens bevegelighet, også kalt admittans, som betraktet i frekvensplanet (spektrum), forteller svært mye om hele instrumentets klang- og utstrålingsegenskaper (se figur 6). Når man studerer panelene i figur 5 ser man at ulike felter på lokket i stor grad beveger seg uavhengig av hverandre. Ved å måle lydutstrålingen i et ekkofritt rom kan man også observere at ulike frekvenser utstråles i ulike retninger, og at denne effekten, som kalles direktivitet, enkelte ganger kan være så fremtredende at på et par meters avstand fra instrumentet vil to mikrofoner plassert med litt avstand fra hverandre kunne registrere forskjeller i lydstråling på mer enn 40 desibel 13! I et rom med reflekterende vegger, som i en konsertsal, vil denne direktive utstrålingsegenskapen kunne være med på å gi inntrykk av at instrumentet klinger allestedsfra; det fyller rommet. Det er ikke usannsynlig at denne egenskapen særlig er fremtredende hos førsteklasses instrumenter. Når man måler direktivitet benytter man gjerne en metode som blir referert til som the reciprocal bow som i dette tilfellet kanskje best kan oversettes med bue i motsatt ende. I stedet for å stryke på instrumentets strenger og fange lydbølgene opp med mikrofoner et stykke unna, sender man strengelyd ut gjennom høyttalere fra lytteposisjonen og fanger i stedet opp resultatet gjennom stolens vibrasjoner. Overføringen fra instrumentets stol til lytteposisjon er nemlig identisk lik overføringen fra lytteposisjonen til stolen (ifølge loven om resiprositet ). Derfor kan man for slike analyser velge retningen på overføringen fritt. Å sammenlikne instrumenter på en objektiv måte er vanligvis et problem fordi musikeren som spiller på det alltid vil prøve å kompensere eventuelle svakheter ved instrumentet. Med bue i motsatt ende - metoden kan man f.eks. først gjøre opptak av musikerens strengesignal ved stolen, eller konstruere et slikt så etter tur, via høyttalere, sende signalet mot et antall fioliner for til slutt lytte til, og sammenlikne, fyldig, normal fiolinklang trukket ut av deres respektive stoler med kontaktmikrofon! Dette sikrer at det virkelig er instrumentet man hører og måler, og ikke dyktigheten til musikeren. Selvfølgelig kunne man ha brukt en robot til å stryke på de ulike fiolinene, slik at strøket var likt hver gang. Man benytter faktisk såkalte strøkmaskiner i en rekke andre sammenhenger, f.eks. Guettler: Om strengefysikk... Side 9

10 for å teste strenger under utvikling. Slike roboter er imidlertid ikke fullstendig pålitelige; man får ikke til 100% likt strøk hver gang man stryker på et instrument som under buehårene vibrerer i alle plan. Derfor er bue i motsatt ende -metoden svært nyttig i en rekke sammenhenger Harpiks, friksjon og streng Når det gjelder harpiks, friksjon, og forholdet bue/streng generelt, så er sammenhengen såpass kompleks at det (med dagens metoder) er umulig å utføre analyser basert på direkte målinger. Dette gjelder særlig for ansatser eller andre plutselige forandringer av strøkparameterene (transienter). Heller ikke algebraiske tilnærminger er særlig nyttige for annet enn de mest forenklede systemene. Av denne grunn har datasimulering dominert denne forskningen fullstendig siden slutten av syttitallet, da teknikken ble utviklet av en gruppe fra universitetene ved Cambridge (U.K.) og Carnegie Mellon (U.S.A.) 14,15. I slike datamodeller er det som regel tatt med en rekke faktorer man vanligvis ikke tenker på når man spiller et strykeinstrument; f.eks. at strengen ikke bare følger med buen når man stryker den, men at den også vrir seg og delvis ruller tilbake på buehårene. Dermed skapes et annet sett bølger med helt egne frekvenser. Dette er bl.a. grunnen til at mange løse fiolin E-strenger (særlig de uten overspinning) piper eller plystrer med en høy frekvens om man er litt uforsiktig i ansatsen. Friksjonsegenskapene til harpiks har vært gjenstand for omfattende undersøkelser de siste årene. Tidligere tenkte man seg at friksjonen sto i direkte forhold til den relative hastigheten mellom buehårene og strengeoverflaten, og at friksjonen minsket når (glide-) hastigheten økte. Nå regner man med at det er harpiksens temperatur i og nær kontaktpunktet som bestemmer friksjonen, og at det er maksimaltemperaturen som avhenger av den relative hastigheten. Simuleringer med slike temperaturkontrollerte modeller har vist god overensstemmelse med praktiske målinger. Simuleringene viser at kontaktflatetemperaturen skifter lynraskt når buehårene veksler mellom å gripe og slippe strengen. Oppvarmings-/avkjølingstidens lengde har imidlertid betydning for klangen, som blir skarpere eller mer grell jo raskere harpiksen smelter eller myknes. Slik informasjon er nyttig for dem som ønsker å utvikle nye, forbedrede harpikstyper. Simuleringer har også vist hvilke egenskaper hos strengen som gjør den lett å sette an. Dette har ført til at en del strengefabrikanter har konstruert strenger etter helt nye prinsipper. For eksempel er D Addarios Helicore-serie bygget på denne nye viten. Strengens transverselle svingninger under buen er enkle å måle dersom den strengen er av metall: Man fester en liten magnet under strengen der man ønsker å stryke (vanligvis festet til en kort stang fra gripebrettet). Da blir strengen strømførende med spenning proporsjonal med utsvingshastigheten, slik at man ganske enkelt kan kople strengeendene til inngangen på en forsterker. (Spenningen ligger i størrelsesorden rundt én millivolt så det er ingen fare for å svi fingrene!) Buen Buens klang og spillegenskaper er fremdeles omgitt med en viss mystikk og mange spørsmålstegn, selv om man har oppnådd oversikt over en del egenskaper som må være tilstede for at buen skal være god å spille med. Buemakere tenker seg gjerne at buens vibrasjoner overføres til strengen, og kommer ut som hørbar lyd. Dette er heldigvis (!) bare en myte: Om man ved hjelp av en kontaktmikrofon forsterker opp buens egne vibrasjoner under spill, vil man raskt høre en plagsom glissando, vekselvis opp og ned, i takt med strengens forflytning langs de vibrerende buehårene. Strykeorkester ville ha vært en ulidelig opplevelse på linje med en skog av ustemte hawaiigitarer... Men, i stedet for å overføre energi til strengen, stjeler buen små mengder energi fra strengen, hvilket ikke får fullt så dramatiske konsekvenser. Likevel er denne Guettler: Om strengefysikk... Side 10

11 energioverføringen en viktig faktor som karakteriserer buens egenklang. Til nå har det ikke vært mulig å finne ut nøyaktig hva som skiller den ene buen fra den andre klangmessig; man kan f.eks. ikke se forskjeller i spektrum. På den annen side utførte Anders Askenfelt (ved Kungl. Tekniska Högskolan i Stockholm) og undertegnede for noen få år siden en test der erfarne, profesjonelle fiolinister på en overbevisende måte demonstrerte sin evne til å skille klangen av ulike buer fra hverandre i en lyttetest 16. At ulike buer klinger forskjellig er tydeligvis ingen myte, selv om vi ennå ikke helt forstår hvordan... At fiolinister kan gjenkjenne ulike buer uten å spille med dem er ingen selvfølge: I en storstilet undersøkelse utført omtrent samtidig av Institut für Wiener Klangstil, (Universität für Musik, Wien), forøkte 110 profesjonelle fløytister å skjelne mellom klangen fra fløyter i syv ulike metaller (forsølvet, rent sølv, 9, 14 og 24 karat gull, platinabelagt, og ren platina, alle utført som samme Miramatsu modell og spilt av syv fløytister fra ulike Wiener-orkestre, inkludert Die Philharmonie). Resultatet var nedslående: Det fantes ingen statistisk sammenheng mellom hva musikerne trodde de lyttet til, og det de faktisk hørte. Heller ikke var det målbare forskjeller mellom de respektive metallenes spektrum (totale variasjoner lå innenfor 0.5 desibel for alle frekvenser). Kanskje burde fløytistene være glade: Prisforskjellen mellom dyreste og billigste fløyte ligger på rundt kroner! På den annen side er selvfølgelig ikke et slikt resultat noe som øker populariteten til akustikerne, særlig ikke hos dem som har investert langt mer enn en årslønn i bedre klang. Fløytistene som lyttet hadde da også flere innsigelser med hensyn til repertoar, innspillingsforhold, osv. Derfor skal hele eksperimentet gjentas med nytt materiale. Vi venter spent Stolen I tillegg til den selvsagte funksjon å holde strengene opp fra instrumentkroppen, virker stolen som en slags transformator. Den gjør om strengens relativt store bevegelser med liten kraft, til små bevegelser med stor kraft. Det siste er nødvendig for å få bevegelse i lokket. På alle strykeinstrumentene har stolen to, tre hovedresonanser. På fiolin finner vi de to laveste av dem rundt 3000 og 6000 Hz. På cello, perfekt tilpasset forskjellen i stemming, rundt 1000 og 2000 Hz. Over den laveste resonansen faller overføringen relativt raskt, inntil den får en liten lift ved neste resonans. Om man justerer den laveste resonansen opp, f.eks. ved å kutte litt av skuldrene øverst på stolen, eller ved å fjerne litt tre øverst i løkkene på hver side, vil klangen bli skarpere, men kanskje også litt grell. Er det for mye ved der oppe, flyttes resonansene nedover, og klangen blir mørkere. Det er dette som skjer når man setter på en sordin. Eksempelvis vil en fiolinsordin på 1.5 gram omtrent halvere de to viktigste stol-resonansene, dvs flytte dem ca en oktav ned. Stolen er altså instrumentets diskantfilter, som innstilles ved hjelp av den laveste resonansen. For analyser av stolen bevegelser benyttes både holografisk interferometri og Finite Element Metoden (FEM). Den siste kan regne ut hva som skjer med vibrasjonene og resonansene dersom vi forandrer litt på stolens utseende. De som ønsker mer informasjon om dette kan lese Rodgers og Masino sin artikkel 17 fra FEM er samme teknikk som bl.a. brukes for å bedømme materialstabilitet på boreplattformer. Med moderne varianter av metoden kan man angi hvilke resonanser man ønsker en konstruksjon skal ha, gi det ett omtrentlig omriss, så vil et dataprogram kunne regne ut nøyaktig form og tykkelser på materialer, etc. Dette er et meget spennende perspektiv, ettersom man i fremtiden bedre vil kunne kompensere for mangler i materialets kvalitet, uten å kompromisse så mye med klangen. Førsteklasses materialer blir det som kjent stadig vanskeligere å få tak i. Blant andre jobber Mitthögskolan i Östersund i Sverige med denne problematikken både når det gjelder kropp og bue til strykeinstrumenter Hva vet vi om buestrøk og klangbehandling? 4.1. Ansatsstøy Under normale forhold prøver musikeren å oppnå Helmholtzbevegelse i strengen så raskt som mulig. (Som eksempel på situasjoner der Helmholtzbevegelsen ikke er ønskelig, kan nevnes Guettler: Om strengefysikk... Side 11

12 ponticello, der strengen glipper mer enn én gang per periode. Dette fører til at strengen får flere enn ett roterende hjørne, og at klangen blir glassaktig.) Sammen med Askenfelt gjorde undertegnede i 1996 en omfattende undersøkelse av hvor lang oppbygningstid som aksepteres av strykere 19. Her skal man være klar over at før Helmholtzbevegelsen kommer i gang, vil tonen domineres av en eller annen form for støy : Går buen alt for langsomt eller har for stort trykk vil strengen knirke eller lyde hest på grunn av for lang avstand mellom strengeglippene. Går buen for fort eller har for lavt trykk vil strengen glippe for ofte gjerne uregelmessig og klangen minne om ponticello. Dersom ansatsen skulle kunne kategoriseres som akseptabel og musikalsk nøytral som i en skalaøvelse, fant vi at Helmholtzbevegelsen ikke kunne utsettes lenger enn henholdsvis 50 og 90 millisekunder (= 1/20 og 1/11 sekund). Man var altså noe mer tolerant for ekstraglipp enn for knirk. Men, som vi skal se: Hver til sin tid. I denne testen, hvor 20 strykere fra Norges musikkhøgskole deltok som dommere, hørte panelet på opptak av fiolinansatser spilt av robot under kontrollerte forhold. Vi ønsket i tillegg å teste hvordan profesjonelle fiolinister utførte tilsvarende ansatser, og inviterte to erfarne musikere fra Stockholmsfilharmonien. Disse fikk ikke vite hva vi ønsket å undersøke; de fikk bare angitt hva de skulle spille. Konklusjonen var ganske klar: Av de 1694 ansatsene som ble analysert kunne ca halvparten karakteriseres som perfekte i den forstand at Helmholtzbevegelsen ble startet direkte, uten støy eller forsinkelse av noen art. Når det gjaldt de resterende, hadde det stor betydning i hvilken musikalsk sammenheng de inngikk. F.eks. startet nesten alle tonene i et utdrag fra Bizets L Arlésienne -suite med forlenget avstand mellom strengeglippene ( knirk ), hvilket som regel skjer når man spiller martelé. I et utdrag fra Bachs Preludium nr. 5 fra Das Wohltemperierte Klavier (détaché sekstendeler spilt mezzo piano med lette strøk) hadde nesten alle tonene lang innsvingningstid med mange ekstra glipp. Litt oppå strengen, om man vil. Dette viste med all tydelighet at fiolinistene hadde god kontroll og var i stand til å velge ansatstype med god presisjon ut fra den musikalske sammenhengen. Men dette forbauser vel ingen musikere? Hvorfor i all verden skulle man behøve å forske på noe slikt? Et viktig aspekt er den rene nysgjerrigheten; muligheten til å få vite hva som egentlig foregår. Som allerede flere eksempler har vist, er ikke alltid musikerne de rette til å forklare hva som virkelig skjer under hendene deres selv om de utvilsomt står nærmest selve fenomenet. Om man ønsker å konstruere en streng som svarer lett, dvs lett kommer inn i ønsket bevegelsesmønster og ikke bare vil gjette og prøve seg fram må man for det første vite hvordan dette mønsteret ser ut, dernest vite hvilke avvik som er akseptable/uakseptable. Dette er også viktig informasjon med hensyn til instrumentets spilleegenskaper, der eksempelvis stolens bevegelighet er helt avgjørende for hvilke mønstre som dannes. Hvilke resonanser i stolen/instrumentet kan lage trøbbel? Hvilke egenskaper gjør instrumentet behagelig å spille på? At førsteklasses instrumenter både klinger godt og er gode å spille på er selvsagt. Men hva med dem som har god klang men er upålitelige eller vanskelige å håndtere? Kanskje gir forskningen svar på hva som bør forandres så snart sammenhengen er avdekket? Da vår studie om akseptabel transientstøy før Helmholtzbevegelse ble vurdert av det amerikanske fagtidsskriftet som senere publiserte artikkelen, ble vår informasjon også sett som viktig i forbindelse med syntesisering av strykeklang. Om synthesizere kan man mene hva man vil, men uansett lydkilde: Klangen skal vel være så bra som mulig? Guettler: Om strengefysikk... Side 12

13 4.2. Hvordan lager man en renslig ansats? I prinsippet har en stryker tre muligheter når han/hun skal sette an en tone: (1) Starte buen fra luften fra null trykk, men med en viss hastighet. (2) Starte buen på strengen med et visst trykk, men fra null hastighet. (3) Starte buen fra null trykk og null hastighet. Det er fysisk umulig å starte med både fullt trykk og full hastighet samtidig. Som utøvende stryker gjennom mange år har jeg ikke kunnet unngå å legge merke til at fiolinister ofte benytter metode (1) når de skal starte en syngende frase, mens deres kolleger på cello og bass oftere har kontakt med strengen når frasens første tonen startes, selv om ansatsen skal være myk. Grunnen til dette ligger sannsynligvis i det faktum at transienttiden er lengre på de dypere instrumentene (den er omvendt proporsjonal med frekvensen), hvilket innebærer at eventuell ansatsstøy vil vare vesentlig lenger, og dermed være mer hørbar og forstyrrende på de dype instrumentene. Imidlertid er alle strykere henvist til metode (1) når de skal veksle fra én streng til en annen i legato. Av den grunn pleier erfarne cellister og kontrabassister gjerne å utføre en slik strengeveksling såpass langsomt at støyen (ekstraglippene) som ubønnhørlig opptrer i det den nye strengen blir satt an, blir dekket (masket) av den utdøende klangen fra forrige streng. Da får man myke og støyfrie overganger mellom tonene som skal bindes sammen. Kraftigere ansatser blir gjerne utført med metode (2), også på de mindre strykeinstrumentene, og da særlig om ansatsen skal utføres nær stolen. I slike tilfeller er det visse fysiske regler som gjelder med hensyn til om ansatsen skal bli renslig eller ikke. I figur 3 viste vi hvordan strengen svinger med ett roterende hjørne når buen har godt tak i strengen. Hvordan dette mønsteret kommer gang har vært et mysterium siden Hermann von Helmholtz påviste bevegelsen for mer enn 140 år siden. Min egen doktoravhandling 20 påviser hva som kreves av musikeren for at mønsteret skal dannes, og hvordan det roterende hjørnet oppstår. Figur 7: Krav til buens akselerasjon i ansatsen ved to ulike strøkposisjoner (skjematisk, med tilfeldig valgte enheter). β angir buens avstanden fra stolen relativt hele den svingende strengelengden. Jo større buetrykket er, dess større akselerasjon kreves om knirk skal unngås. Samtidig øker mulighetene for å velge akselerasjon (se tekst). Figur 7 viser ansatskravene i forenklet, skjematisk form. (Praktiske målinger utført ved University of Cambridge har senere bekreftet hovedtrekkene i disse 21.) Langs den horisontale aksen (abscissen) øker bueakselerasjonen fra venstre mot høyre. På den vertikale aksen (ordinatet) er buetrykket (dvs. buens kraft mot strengen) angitt. Med riktig kombinasjon av buetrykk og -akselerasjon vil man treffe et sted inne i det hvite trianglet, og ansatsen bli ren fordi strengen slipper buehårene periodisk fra første stund. Beholder vi samme buetrykk og velger en lavere akselerasjon, vil vi kunne komme over i det svarte feltet, der strengen blir kvalt og begynner å knirke. Tilsvarende vil strengen glippe dersom akselerasjonen er for stor. Om vi starter strøket med et høyere trykk, ser vi at det blir større slingringsmonn for akselerasjonen. (I figurene er det inntegnet rektangler som indikerer akseptabelt Guettler: Om strengefysikk... Side 13

14 akselerasjonsområde for et valgt buetrykk. Økes buetrykket blir rektanglet høyere og bredere, og akselerasjonsområdet dermed større.) Legg også merke til at det finnes et minimumstrykk, under hvilket Helmholtzbevegelsen ikke kan startes direkte. Figur 7 viser to paneler med hver sin bueposision (β angir buens relative posisjon, dvs lik buens avstand til stolen dividert på den svingende strengelengden). På det venstre panelet er buen nærmest stolen. Her ser vi at det hvite trianglet angir lavere akselerasjon, og det er smalere og gir mindre slingringsmonn enn om buen hadde vært lenger unna (som i det høyre panelet). Som nevnt var våre fiolinister svært dyktige på å treffe i de hvite trianglene. Om de hadde truffet med 100% sikkerhet, ville klangen antakelig ha miste mye av sin sjarm og spesielle strykerkarakter. For et par år siden ba en av forskerne ved KTH meg spille en rekke toner på kontrabass, som så skulle samples enkeltvis. Jeg spilte en kromatisk skala, der jeg passet på at alle tonene var perfekte uten støy av noen art. Når han senere satte tonene sammen til melodier låt det akkurat som en ja, synthesizer! I ansatsen er det altså buens posisjon, trykk, og akselerasjon som bestemmer hvor raskt og rent tonen skal startes 22. Marginene er relativt små, noe alle nybegynnere får merke. Videre kompliseres bildet av at man for å være sikker på å lage en renslig ansats må forandre akselerasjonen i forhold til hvilken tone man spiller. For eksempel bør den økes/minskes omtrent proporsjonalt med frekvensen dersom man spiller et intervall på samme streng. Ved to ansatser med en oktavs mellomrom bør altså den høyeste tonen gis dobbelt så stor akselerasjon. Videre: Tyngre strenger krever lavere akselerasjon. Om man f.eks. sammenlikner to D-strenger med ulik vekt og spenning, så bør buens akselerasjon ideelt sett være omvendt proporsjonal med deres vekt. Dessuten spiller instrumentets resonanser en rolle; det samme gjør strengens indre friksjon (demping)... Dette blir mye å tenke på på en gang. Alt for mye! Og den som virkelig vil prøve å tenke slik er nærmest dømt til å mislykkes! På den annen side: Om man allerede har mislykkes, eller ønsker å forbedre klangen på en gruppe toner man ikke er fornøyd med, så kan denne type viten være en god veileder under øvingen. Kjennskap til disse prinsippene er også nyttig i undervisningsøyemed. På en kontrabass er en svært utbredt feil at strøket settes i gang for raskt, dvs med for stor akselerasjon i forhold til trykket. Støyen (skrapelyden) som så kommer, prøver man kanskje i neste omgang å forhindre ved å legge på mye mer harpiks. Mye harpiks på buen har lett for å gå ut over intonasjonen, spesielt i høyden, og det gir en mer ufri klang i hele registret. Det hadde vært bedre om man hadde satt i gang strengen med korrekt akselerasjon i utgangspunktet. På fiolin er innsvingningstiden såpass kort at ansatsstøy spiller en vesentlig mindre rolle (selv om transienttiden er mye lenger enn på f.eks. en obo eller en trompet). Likevel er det mange situasjoner der også fiolinistene må passe ekstra godt på. F.eks. om man forsøker å sette an en tone helt nær stolen. Da må akselerasjonen i tillegg til å være lav, også være helt jevn dersom et ufrivillig ponticello skal unngås. Jevn akselerasjon kan i praksis oppnås ved at man avstiver håndleddet noe i det ansatsen uføres. Noen husker kanskje fra skolen Newtons andre lov: Kraft = masse akselerasjon. Når strengen glipper første gang slik at tonen starter, vil friksjonskraften og dermed strengens motstand plutselig synke, for deretter a variere både raskt og mye. (Buen har lett for å fly ukontrollert fremover.) Om akselerasjonen skal hindres i å variere tilsvarende mye må massen, i dette tilfellet buen + hånden + armen, være såpass stor at variasjonene i akselerasjon blir holdt på et akseptabelt nivå (akselerasjon = kraft/masse). Om fingrene og håndleddet i et slikt tilfelle er for fjærende, vil armens masse være frakoplet slik at det stort sett er buen alene som utgjør den kontrollerende massen (ca 60 gram). Dette er ting enhver stryker burde eksperimentere med for å danne seg et bilde av hva som kreves i de ulike situasjonene. Så fort man har fått startet strengen på en korrekt måte øker toleransen for buehastighet og akselerasjon. Figur 8 beskriver omtrent hva som skjer: Guettler: Om strengefysikk... Side 14

15 Figur 8: I løpet av ansatsen får musikeren stadig mer valgfrihet med hensyn til buehastighet, og dermed valg av klangfarge. V angir det hastighetsområdet som gir klar ansats direkte. Jo lenger unna stolen buen er plassert, jo større er V Etter ansatsen, den utholdte tonen Mens posisjon, trykk og akselerasjon var nøkkelordene i ansatsen, er buens posisjon, trykk og hastighet nøkkelord for den utholdte tonen. Basert på Ramans bølgeanalyser beregnet Catgutgruppens cellist, John Schelleng, hvilke krav Helmholtzbevegelsen stilte til strøket under steady state (stabil tilstand). Han kom fram til følgende diagram 23 (se figur 9), som også stemte godt med målinger han hadde utført på sin egen cello. Her viser den vertikale aksen buetrykket (force), relativt til nødvendig buetrykk (dvs kraft) for å spille helt nær stolen med en gitt buehastighet: Figur 9: Diagram som viser forholdet mellom buetrykk (force) og posisjon for en gitt buehastighet (ref. 23). Høyere trykk kreves etterhvert som avstanden til stolen blir kortere. Det er overraskende nok denne trykkforandringen som forandrer klangen. Ikke i seg selv buens posisjon på strengen! Her er maksimums-buetrykket omtrent omvendt proporsjonal med avstanden til stolen: Om man spiller nær stolen og gradvis flytter buen til et punkt dobbelt så lang unna, må man også gradvis (minst) halvere buetrykket. Ligger man på minimumslinjen kan man senke buetrykket til en fjerdedel hver gang man dobler avstanden. Det diagrammet viser med all tydelighet, er at toleransen snevres inn når man nærmer seg stolen, og om man ønsker beholde buens hastighet, tvinges buetrykket opp. I praksis vil man gjerne forandre buehastigheten også senke den litt etterhvert som man nærmer seg stolen. Dette virker i motsatt retning, hvilket betyr at man ikke trenger øke buetrykket fullt så mye. Som en grov tommelregel kan det utledes at buehastighet på den ene siden, skal balansere mot frekvens, buetrykk og avstand fra stolen på den andre siden. Økes buehastigheten må minst én av de andre tre også økes dersom vi ønsker å opprettholde klangen. Øker vi frekvensen har vi valget Guettler: Om strengefysikk... Side 15

16 mellom enten å minske buetrykket eller avstanden til stolen eller å øke buehastigheten. Selvsagt kan vi også velge en kombinasjon av disse tre. Ved dobbeltgrep med store intervaller bør den nederste tonen få det største buetrykket uansett hvilken streng den spilles på dersom klangen og intonasjonen skal bli best mulig. Man hører dessverre ofte strykere (også profesjonelle!) som presser for mye på øverste tone i dobbeltgrep, bare fordi denne er melodibærende Klangbehandling Schellengs diagram har inntegnet noen klanguttrykk: Raucous (hes, grov), Brilliant (lysende, strålende, briljant), Ponticello og Sul tasto. Dessuten benytter han betegnelsen higher modes, hvilket betyr at strengen glipper på buen slik at grunntonen undertrykkes. I sin JASAartikkel, der diagrammet er tatt fra, demonstrerer han hvorledes Helmholtz-hjørnet, og dermed klangen, blir rundet av slik at klangen blir bløtere når buetrykket senkes (jfr min figur 3). Strykeinstrumenter er ganske unike når det gjelder å kunne forandre klangfarge raskt og enkelt. I de følgende avsnittene vil jeg omtale noen de av kontrollmulighetene buen gir Buetrykket Som allerede nevnt påvirker buetrykket klangfargen på den måten at tonen blir skarpere når buetrykket økes (alle andre parametere holdt konstant). Hvor stor forandringen blir, beror både på valg av harpiks og på type streng. Norman Pickering, som har konstruert D Addario-Helicore strengene, har gjort målinger på fiolinstrenger med ulike kjernetyper 24. Det som er helt klart, er at enhver streng har et sensitivt buetrykks-område der klangen lett påvirkes av selv små forandringer i buetrykket. Utenfor dette området forandrerer ikke klangen seg like raskt. Det følsomme området ligger generelt høyere for high-gauge (kraftige) strenger enn for lettere strenger. Den strengen Pickering målte til å være den mest følsomme for buetrykk, var en lightgauge A-streng med aluminium overspinning og Perlon kjerne. Ved å øke buetrykket fra 20 til 60 gram (-kraft), dvs 3 ganger, steg amplituden på alle overtoner to til fire oktaver over grunntonen ca 6 ganger (mer enn 15 db)! Likevel var det strenger med stålkjerne som generelt ga de størst klangforskjellene (og dessuten kraftigst tone). Tarmstrenger kom på sisteplass, med syntetiske polymerkjerner midt i mellom. Teoretisk skal en økning av buetrykket fra minimum til maksimum kunne forandre den totale lydstyrken ca 1 til 2 desibel (12 til 26%), hvilket tilsvarer forskjellen mellom grunntonen hhv. uten og med fullstendig overtoneserie. En slik økning av overtonenes andel vil imidlertid oppleves som en betydelig økning i lydnivået, fordi skarpe toner generelt oppleves som sterkere enn bløte toner, selv når det objektive lydnivået er uforandret Buehastigheten Også buehastigheten spiller en vesentlig rolle for klangspektret 25. Med rask bue blir klangen bløtere, Helmholtzhjørnet blir avrundet, og de øverste overtonene svakere relativt sett. Men: Med raskere bue blir tonen totalt sett sterkere, fordi grunntonens amplitude vil være tilnærmet proporsjonal med buehastigheten om man ikke flytter buen, og vanligvis er grunntonen vesentlig sterkere enn de høye deltonene som svekkes. Om man ønsker å lage diminuendo med mest mulig uforandret klang skal man ikke bare lette buetrykket, men også sakne farten på buen, slik at overtonene ikke forsvinner. Dette er særdeles merkbart på kontrabass, hvor en serie raske diminuendi lett fører til romling (nærmest som et grumset ekko) om man ikke retarderer buen. Grunnen til at en langsom bue gir mer diskant, er at friksjonskraften øker, noe man faktisk kan kjenne om man stryker riktig langsomt. Anders Askenfelt konstruerte på 80-tallet en fiolinbue der buetrykk, og posisjoner på hår og streng kunne registreres under vanlig spill. Når fiolinistene, mens de spilte détaché fjerdedeler, Guettler: Om strengefysikk... Side 16

17 gikk fra pp til ff, flyttet de typisk buen til halve distansen fra stolen, firedoblet buetrykket, mens buehastigheten gikk litt opp eller ned, etter som hvem som spilte Buens posisjon Med fare for å få mange strykere mot meg vil jeg si følgende: Det finnes ikke noe grunnlag for å hevde at klangen blir skarpere dersom buen bringes nærmere stolen om man holder buehastighet og -trykk uforandret. Betrakter man Schellengs diagram (figur 9) ser man imidlertid at man ganske raskt blir tvunget til å øke buetrykket, hvis man ikke vil senke buehastigheten for å unngå at tonen blir mye sterkere. Det er disse siste to parameterforandringene som forandrer klangen begge gjør den skarpere ikke posisjonen i seg selv. I pizzicato er forholdet annerledes. Der blir klangen merkbart skarpere når man utfører det samme pizzicatoet nær en av strengeendene. Med kjennskap til hvordan strengen beveger seg under buen går det an å regne på disse tingene, og både den matematiske analysen og simuleringer viser et spektrum som ikke endrer profil med hensyn til overtonenes energi når man kun lar buen skifte posisjon Buehårenes helning Fiolinister og bratsjister holder nesten alltid buen med helning slik at buehårene nærmest gripebrettet får størst trykk, og hårene nærmest stolen minst. Cellister og kontrabassister holder av og til buehårene flatt på strengen, men vinkler på samme måte som fiolinistene når de holder buen skrått. Vi var interessert i å finne ut om dette hadde noen betydning for klangen, og utførte derfor en serie forsøk med roboten på Kungl. Tekniska Högskolan i Stockholm. Fiolinbue og fiolin ble benyttet, fordi vi regnet med at effekten ville være mest hørbar og målbar der. (På løse strenger dekker hårene på en flat fiolinbue ca 2,4% av strengelengden, mens de på en kontrabass prosentvis bare dekker litt over halvparten så mye. Man kan tenke seg at en virkelig bred bue ville gitt temmelig ullen klang.) Resultatene er publisert i proceedings 27 fra SMAC 03 et symposium for musikkakustikk som hvert tiende år holdes i Stockholm. Vi prøvde både flat bue med ulike hårbredder (ved å holde noen av hårene opp med kiler, slik at ikke alle berørte strengen), og normal hårbredde (8 mm) med en hårvinkel på ca 45. Både smalere hår og helningen gav merkbar i alle fall målbar forskjell i klangen. Størst forskjell noterte vi når buen ble ført svært nær stolen. Videre fant vi at vinkling av buen ga bedre briljans enn tilsvarende reduksjon av hårbredden alene. Men det viktigste var at vinklede buehår ga vesentlig bedre ansatser (kortere transienter) nær stolen. På fiolin og bratsj er dessuten vinklede hår i praksis nødvendig for kunne sette buen varsomt ned på strengen når ansatsen skal være myk. Pitteroff har undersøkt kontaktmekanismen mellom buehår og streng 28, og viser hvordan det oppstår mer støy når buen ligger flatt, for ikke å snakke om når hårene vinkles den gale veien Bueskift og ansatser nær stolen Alle gode strykere har brukt betydelige tid på å øve myke, uhørlige bueskift. Hensikten er å få snudd buen så raskt, men likevel så mykt, at selve bueskiftet ikke blir hørbart for tilhøreren. Det finnes ulike teknikker for å oppnå dette. Problemet består i at når strøkretningen snus må også Helmholtzrotasjonen snus. Det går ikke an å bruke det gamle strengemønsteret videre ved å friske det opp når buen er snudd. Det er et nytt mønster som skal skapes. Om det finnes noe igjen av det gamle mønsteret når buen begynner i sin nye retning, vil dette kun skape problemer, fordi man plutselig vil få to hjørner på strengen, som begge vil trigge hvert sitt slipp, og det betyr støy. Man må altså først dempe det gamle signalet ved å retardere buen (gi den negativ akselerasjon). Deretter skal buen akselereres i den nye retningen (som er også er negativ i forhold til den gamle). Det er særlig viktig at akselerasjonen er helt jevn i starten på det nye strøket. Det finnes flere måter å sikre dette på (vi har allerede nevnt avstiving av håndleddet som Guettler: Om strengefysikk... Side 17

18 én mulighet): Det enkleste er imidlertid å la froschen beskrive en liten halvsirkel akkurat i selve skiftet (se figur 10 venstre panel, øverst). Da kan froschen beholde sin hastighet uforandret hele tiden (selv om den forandrer retning underveis), slik at man unngår noe stopp eller rykk i buen. Som man ser i panelet under, vil hastigheten gå helt jevnt over fra positiv verdi (nedstrøk) til negativ (oppstrøk). Akselerasjonen vil være jevnt negativ under hele denne prosessen, noe som er vanskeligere å få til dersom man kun stryker rett fram og tilbake. Imidlertid viser både simuleringer, og målinger av dyktige strykere, at i de raskeste og mest uhørlige bueskiftene er retardasjonen (dempingen av det gamle strengemønstret) vesentlig større enn den påfølgende akselerasjonen i ny strøkretning. Dette akselerasjonsmønsteret kan lett oppnås ved å forandre litt på halvsirkelen, slik at den likner mer på figuren i høyre panel. Med denne banen bruker man kortere tid på dempingen, uten å forandre noe på den etterfølgende ansatsen. Slike bevegelser kan enten utføres som langtrukne åttetall, eller ovaler over hele strøket; og de kan utføres vertikalt eller horisontalt (i plan med instrumentkroppen). Poenget er i alle tilfeller å snu bueretningen jevnt og sikkert mens froschen er i uopphørlig, jevn bevegelse. (I parentes skal det også bemerkes at om bevegelsen utføres vertikalt på fiolin eller bratsj, kan man oppnå noe av samme effekt ved å la håndleddet, heller enn froschen, beskrive en oval, i retning mot klokken. Men da må man være ekstra påpasselig så ikke buetrykket endres!) Liknende teknikker kan benyttes ved ansatser nær stolen, men da må strøket startes der det lille pilhodet i figur 10, øverste panel, peker rett nedover. Disse åttetalls-teknikkene har vært anbefalt av en rekke kjente fiolinister og pedagoger opp gjennom historien 29, men det gjør det jo ikke mindre interessant å analysere hvordan og hvorfor de faktisk virker. Figur 10: To strategier for uhørlige bueskift. Ved å la froschen beskrive et liggende åttetall (kun høyre løkke vist her) kan strøket snus uten at froschen trenger å stoppe. Er løkken på åttetallet halvsirkelformet, som i øverste panel til venstre, sikres jevn akselerasjon mens buen snus. Et enda mer effektivt skift kan imidlertid oppnås ved å følge banen angitt i høyre panel, der buen bremses ned raskere enn den akselererer i begynnelsen av oppstrøket. I begge tilfellene følger froschen den angitte banen med konstant hastighet. (Også buetrykket bør holdes konstant.) 4.6. Spiccato og ricochet En metodebeskrivelse En vesentlig forskjell på spiccato og ricochet er at i spiccato må strengen dempes mellom hver ansats, mens i ricochet kan Helmholtz-rotasjonen friskes opp uten forutgående demping. Figur 11 viser i venstre panel en serie med klare, rene spiccato-toner utført på fiolin. Strengens hastighet under buen er målt med magnet som beskrevet i avsnitt Hver spiker som i figuren står ned på oppstrøkene og opp på nedstrøkene, viser at strengen glipper tilbake på buehårene. Vi ser at strengen blir spilt vekselvis med oppstrøk og nedstrøk, og at glippene Guettler: Om strengefysikk... Side 18

19 kommer jevnt og periodisk med unntak av den første tonen der enkelte små ekstraglipp forekommer. I det høyre panelet vises to ricochetstrøk etterfulgt av et spiccato oppstrøk. Legg merke til at der buen skal skifte retning er strengen på forhand perfekt dempet før hver ansats. I ricochet derimot, finner ingen demping sted mellom de to nedstrøkene; tonen friskes raskt opp når buen treffer strengen på nytt i samme retning. Figur 11: Strengens hastighet under buen når det spilles spiccato og ricochet. Hver spiker indikerer et glipp tilbake langs buehårene. Kommer disse glippene regelmessig, med jevne mellomrom helt fra ansatsen, bygges tonen raskt opp med fyldig klang. I ricochet, der buen går i én retning, kan man lett friske opp restene fra forrige tone. I spiccato må strengen dempes før en ny ansats kan bygges opp. Spiccato er et problem for mange strykere, særlig på de større instrumentene. Dessuten er det store forskjeller i buenes kvaliteter når det gjelder disse strøkartene, hvor buen spretter av strengen mellom hver tone. Derfor ønsket Askenfelt og undertegnede å undersøke hvilke betingelser som må oppfylles for at en spiccato skal bli vellykket i den forstand at buen biter godt i strengen og at det produseres minimalt med ansatsstøy. Disse undersøkelsene er gode eksempler på arbeidsmetoder som benyttes i forbindelse med bue/streng-problematikken: (1) Vi trengte å vite noe om friksjonskraften, men ettersom det er umulig å måle eller rekonstruere denne under slike spilleforhold, brukte vi vårt dataprogram til å simulere strøk, tilsvarende dem vi hadde målt gode og dårlige, slik at vi kunne hente ut friksjonsdata derfra. (2) Vi lagde også et enkelt oppsett med en maskin som ved hjelp av to fingre kunne drive buen med spiccatobevegelser, rett opp og ned på en kraftsensor, slik at vi kunne lære noe om ved hvilke tempi (frekvenser) spiccato lot seg utføre under ulike forhold, med ulike buer, og hvorledes kraften mot strengen forandret seg periodisk. Før jeg går inn på resultatene, vil jeg vise en illustrasjon som er tegnet etter en figur i en amerikansk lærebok for kontrabassister. Jeg kjenner forfatteren, og vet at han kan utføre et aldeles utmerket spiccato, men likevel ble hans illustrasjon fullstendig misvisende. Dessverre er han på ingen måte alene om disse misoppfatningene (se min rekonstruksjon i figur 12): Figur 12: Spiccato slik det ikke skal utføres! Bilde er en rekonstruksjon fra en amerikansk lærebok. Buen beskriver en U hver gang den kastes mot strengen. Dette vil bli et støyende og ujevnt spiccato. Guettler: Om strengefysikk... Side 19

20 Den første feilen på figur 12 er at buen ikke har noen rotasjon. Dersom vi skal kunne benytte oss av buens spiccatoegenskaper må vi la buen få rotere rundt en akse et sted nær høyre hånds tommel på froschen. I figuren parallellforskyves hele buen uten rotasjon. En viss parallellforskyvning skal imidlertid finne sted, men den går ikke i retning slik som antydet på figur 12. Derimot viser figur 13 hvilke to bevegelser buen i prinsippet skal utføre. Samtidig med at den roterer rundt tommelen, parallellforskyves den diagonalt: Figur 13: En korrekt spiccatobevegelse kombinerer rotasjon (rundt froschen) med translasjon (parallellforskyvning) diagonalt. Disse to bevegelsene kan utføres uavhengige av hverandre, og timingen (faseforholdet) mellom dem er helt avgjørende for ansatskvaliteten. Dette kunne vi lett sjekke ved hjelp av simuleringsprogrammet 30. For hver syklus (nedstrøk-oppstrøk) har buen to fullstendige rotasjonsbevegelser (2 spissen ned-opp), mens det har én translasjonsbevegelse. Ved å starte rotasjonene på ulike tidspunkt i forhold til translasjonen kunne vi se hvilken kombinasjon som gir de reneste ansatsene. Vi kunne også ta ut lyd fra simuleringene for å få det bekreftet på denne måten. Resultatet er kanskje litt overraskende: Etter hver luftetur må buen igjen lande på strengen mens hårene fremdeles er på vei i den gamle retningen. Derfor skjer bueskiftet ikke i luften (som vist figur 12), men tvert i mot på strengen med nesten fullt trykk. Betrakt simuleringen i figur 14 med de innskrevne bemerkningene for å få forklaringen på hva som skjer. Legg merke til likheten mellom figur 11 (målt på fiolinstreng) og simuleringen i figur 14: Figur 14: Ulike faser i et renslig utført spiccato (simulert). Legg merke til at buetrykket nesten er på topp når buen snus (buehastigheten går fra positivt til negativt). Strengens første tilbakeglipp på buehårene (a) skjer omtrent når buetrykket når sitt maksimum. Buens første akselerasjon kan nå skje i overensstemmelse med kravene i figur 7, ettersom buetrykket under de første periodene vil holde seg relativt uforandret. I intervallet (b-c) er det ingen kontakt mellom bue og streng. Ved (c-d) oppnås det gradvis mer kontakt. Under (d-a) slipper ikke buen taket i strengen. Guettler: Om strengefysikk... Side 20 Figur 15: Ved å sette et lite merke på buestokken kan man granske koordineringen mellom buens rotasjon og translasjon, og dermed klart se om buen biter i strengen eller ikke. (a) vil klart gi de klareste ansatsene, mens (b) vil skape vesentlig mer ansatsstøy.